Time Reversal Precoding with Artificial Noise Injection for Physical Layer Security
Retournement temporel avec injection de bruit artificiel pour la sécurité de la couche physique
Résumé
An increasing number of devices exchanges data via the wireless medium into large scale, decentralized, and heterogeneous networks, leading to the concept of Internet of Things (IoT). This PhD work proposes a new practical scheme to perform physical layer security (PLS) in this IoT context. Wireless communications in IoT networks are prone to passive eavesdropping. Therefore, this work introduces a scheme that guarantees the reliability of a communication from a transmitter (Alice) towards a legitimate user (Bob), while preventing multiple passive eavesdroppers (Eve) to correctly decode the data in a worst-cases scenario, thereby considering i) Eve to be noiseless, ii) Eve equipped with an arbitrarily large number of antennas, iii) Alice imperfectly estimating Bob’s channel state information (CSI). To do so, a frequency domain time-reversal (TR) precoder is proposed using orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM) and artificial noise (AN) injection. The scheme exploits the frequency diversity selective behaviour in multipath channels, and can be incorporated into existing standards, such as in LTE or 5G networks. Different configurations are investigated, namely, single-input single-output (SISO), multiple-input single-output (MISO), and single-input multiple-output (SIMO) systems. The handshake procedures between Alice and Bob are described, both in time-division duplexing (TDD) and frequency-division duplexing (FDD) systems, highlighting the amount of CSI acquisition at Eve, which influences the secrecy performances. Depending on the handshake procedures, different decoding structures are investigated at Eve for each system configuration, considering a block-fading environment. Closed-form approximations of the signal-to-noise ratio required at Bob and the maximal CSI error that can be made at Alice, in order to guarantee a communication ergodic secrecy rate (ESR), are derived. Furthermore, the optimal amount of AN energy to inject, as well as the maximal number of eavesdropper’s antennas allowed, considering imperfect CSI, are also given as closed-form expressions. A trade-off on the choice of the spreading factor of the TR precoder is established between maximizing the ESR and decreasing the percentage of outage, leading to information leaked to Eve. Finally, thanks to these results, Alice can be a-priori aware of the ESR over which she can establish a secure communication, assuming worst-case assumptions regarding the eavesdroppers. The PLS scheme presented in this PhD work therefore emerges as a promising solution to secure wireless communications in IoT networks.
Un nombre croissant d'appareils échangent des données via un support sans fil dans des réseaux décentralisés et hétérogènes à grande échelle, ce qui a donné naissance au concept de l'internet des objets (IoT). Ce travail de doctorat propose un nouveau schéma pratique pour assurer la sécurité de la couche physique (PLS) dans ce contexte de l'IoT. Les communications sans fil dans les réseaux IoT sont sujettes à l'écoute passive. Par conséquent, ce travail introduit un schéma qui garantit la fiabilité d'une communication d'un émetteur (Alice) vers un utilisateur légitime (Bob), tout en empêchant plusieurs oreilles indiscrètes passives (Eve) de décoder correctement les données dans le pire des cas, en considérant i) qu'Eve n'a pas de bruit, ii) qu'Eve est équipée d'un nombre arbitraire large d'antennes et iii) qu'Alice estime imparfaitement l'information sur l'état du canal de Bob (CSI). Pour ce faire, un précodeur à retournement temporel (TR) dans le domaine fréquentiel est proposé en utilisant le multiplexage orthogonal par répartition en fréquence (OFDM) et l'injection de bruit artificiel (AN). Le schéma exploite le comportement sélectif en fréquence dans les canaux à trajets multiples et peut être incorporé dans les normes existantes, comme dans les réseaux LTE ou 5G. Différentes configurations sont étudiées, à savoir SISO, MISO et SIMO. Les procédures de poignée de main en duplexage TDD et FDD, en mettant l'accent sur la quantité de CSI acquise par Eve, qui influe sur les performances en matière de confidentialité. En fonction des procédures d'échange, différentes structures de décodage sont étudiées à Eve pour chaque configuration de système, en considérant un canal d'évanouissement par blocs. Des approximations analytiques du rapport signal à bruit requis chez Bob et de l'erreur CSI maximale qui peut être commise chez Alice afin de garantir un certain taux de secret ergodique de communication (ESR), sont dérivées. En outre, la quantité optimale d'énergie AN à injecter ainsi que le nombre maximal d'antennes de l'espion autorisé, en tenant compte d'un CSI imparfait, sont également dérivés sous forme analytiques. Un compromis sur le choix du facteur d'étalement du précodeur TR est établi entre la maximisation de l'ESR et la diminution du pourcentage d'interruption, qui entraîne une fuite d'informations vers Eve. Enfin, grâce à ces résultats, Alice peut connaître a-priori l'ESR sur lequel elle peut établir une communication sécurisée, en supposant les les hypothèses les plus pessimistes concernant les espions. Le schéma PLS présenté dans ce travail de thèse émerge donc comme une solution prometteuse pour sécuriser les communications sans fil dans les réseaux IoT.
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